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國(guó)慶長(zhǎng)假已經(jīng)結(jié)束，2019年諾貝爾獎(jiǎng)的開獎(jiǎng)還在繼續(xù)，今天下午揭曉了物理學(xué)獎(jiǎng)的最終歸屬。根據(jù)貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)消息，瑞典斯德哥爾摩當(dāng)?shù)貢r(shí)間8日中午，瑞典皇家科學(xué)院將2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予吉姆·皮布爾斯（James Peebles），以表彰其對(duì)物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)，另一半授予了兩位瑞士天文學(xué)家米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和迪迪?！た迤潱―idier Queloz），因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系外行星。

圖1：2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者及獎(jiǎng)金分配情況。

據(jù)了解，皮布爾斯出生于加拿大的溫尼伯，是普林斯頓大學(xué)阿爾貝特·愛(ài)因斯坦榮譽(yù)科學(xué)教授，也是加拿大物理學(xué)家和理論宇宙學(xué)家。自1970年以來(lái)，他被廣泛認(rèn)為是世界領(lǐng)先的理論宇宙學(xué)家。他對(duì)原始核合成、暗物質(zhì)、宇宙微波背景和結(jié)構(gòu)形成等領(lǐng)域做出理論貢獻(xiàn)。

麥耶是瑞士天文學(xué)家，曾任教于日內(nèi)瓦大學(xué)天文學(xué)系，已于2007年退休，但仍以榮譽(yù)退休教授身份繼續(xù)進(jìn)行研究。

奎洛茲同樣是來(lái)自瑞士的天文學(xué)家，他在尋找太陽(yáng)系外行星方面頗有貢獻(xiàn)?！缎l(wèi)報(bào)》稱，在日內(nèi)瓦大學(xué)攻讀博士時(shí)（1995年），他和米歇爾·麥耶共同發(fā)現(xiàn)了圍繞主序星的首顆太陽(yáng)系外行星。

圖2：倫敦大學(xué)學(xué)院發(fā)現(xiàn)，系外行星K2-18b大氣層含有水分，也是史上首次發(fā)現(xiàn)含水的宜居星球。

其實(shí)除了得獎(jiǎng)的這些系外行星發(fā)現(xiàn)成就，在今年4月網(wǎng)上瘋傳的首張黑洞照片，更是引爆了全球“黑洞熱”，可以說(shuō)是近年來(lái)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的亮點(diǎn)?？上У氖呛诙凑掌_是時(shí)間可能已經(jīng)錯(cuò)過(guò)了今年諾貝爾獎(jiǎng)的提名時(shí)限，估計(jì)也是因?yàn)檫@個(gè)原因，該發(fā)現(xiàn)與諾貝爾獎(jiǎng)擦肩而過(guò)。

圖3：經(jīng)過(guò)6國(guó)科學(xué)家的努力，史上第一張黑洞照片問(wèn)世。

此外，還有量子物理學(xué)和超導(dǎo)領(lǐng)域的成就也不低于獲獎(jiǎng)的天體領(lǐng)域。

量子物理學(xué)

美國(guó)科普作家查德·奧澤爾(Chad Orzel)在《福布斯》雜志上撰文指出，量子物理學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)研究，一直都很受諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審的青睞，再加上谷歌、IBM等科技企業(yè)大舉投資量子計(jì)算，具有巨大商業(yè)潛力的量子糾纏等量子物理學(xué)子領(lǐng)域，成為了近年來(lái)物理學(xué)界熱議的話題。

2018年，科學(xué)家首次通過(guò)量子通信衛(wèi)星在中國(guó)和奧地利之間進(jìn)行了量子加密視頻通話。不久之后，美國(guó)簽署了《國(guó)家量子倡議法》(National Quantum Initiative Act)，旨在為量子信息科學(xué)的研究和培訓(xùn)保證投資，因?yàn)榱孔有畔⒖茖W(xué)具有巨大的商業(yè)和國(guó)家安全應(yīng)用潛力。

據(jù)了解，銀行業(yè)方面正在考慮使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)保護(hù)他們的信息，像谷歌和IBM等科技巨頭也正在開發(fā)可以在幾分鐘內(nèi)完成某些計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)，而不是使用傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

如果沒(méi)有該領(lǐng)域先驅(qū)者們奠定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，這一切都不可能實(shí)現(xiàn)。

1964年，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)為解決量子物理學(xué)中的一個(gè)悖論奠定了理論基礎(chǔ)。眾所周知，愛(ài)因斯坦曾與這個(gè)悖論作過(guò)斗爭(zhēng)。它被稱為貝爾定理，后來(lái)成為量子信息科學(xué)領(lǐng)域最重要的概念之一。在接下來(lái)的幾十年里，科學(xué)家們對(duì)它進(jìn)行了越來(lái)越復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了貝爾定理。

在2010年，法國(guó)的阿蘭·艾斯佩特（Alain Aspect）、美國(guó)的約翰·柯羅瑟（John Clauser）、和澳洲的安東·吉林哲（Anton Zeilinger）三位物理學(xué)家“因其在量子物理學(xué)基礎(chǔ)上的基本概念和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)，特別是一系列日益復(fù)雜的貝爾不等式測(cè)試，而獲得沃爾夫獎(jiǎng)（Wolf Prize）”。不幸的是，與該理論同名的貝爾在1990年去世了，這使得他沒(méi)有資格獲得諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)橹Z貝爾委員會(huì)的規(guī)定是不允許在人去世后頒發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)。

超導(dǎo)體

超導(dǎo)性是電流通過(guò)零電阻材料時(shí)所產(chǎn)生現(xiàn)象的名稱，同時(shí)也是Inside Science預(yù)測(cè)的一個(gè)領(lǐng)域。1911年，獲得1913年諾貝爾獎(jiǎng)的荷蘭物理學(xué)家?？恕た妨帧ぐ簝?nèi)斯(Heike Kamerlingh Onnes)首次發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象。

1986年，來(lái)自IBM的兩位科學(xué)家約翰內(nèi)斯·喬治·貝德諾茲(Johannes Georg Bednorz)和K.亞歷克斯·穆勒(K. Alex Müller)發(fā)現(xiàn)了一種含有氧化銅的材料，它可以在高于此前理論允許的溫度下保持超導(dǎo)性。一年后，兩人在1987年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。而在銅材料被發(fā)現(xiàn)之后的20年里，這個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有任何重大突破。

但是這種情況在2008年發(fā)生了改變，當(dāng)時(shí)由日本研究人員細(xì)野秀夫(Hideo Hosono)領(lǐng)導(dǎo)的一組日本研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的含鐵材料，這種材料在異常高溫下具有超導(dǎo)性。

隨后，在2014年，一個(gè)由德國(guó)馬普化學(xué)研究所的米哈伊爾·埃雷米茨(Mikhail Eremets)領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)了另一類含氫的超導(dǎo)材料。這些物質(zhì)的存在曾由美國(guó)康奈爾大學(xué)的內(nèi)爾·阿什克羅福特（Neil Ashcroft）教授和2003年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者維塔利·金茨堡（Vitaly Ginzburg）在20世紀(jì)60年代預(yù)測(cè)過(guò)。

新材料的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們更好地理解和研究這一神秘現(xiàn)象打開了新的大門。值得注意的是，超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為我們帶來(lái)了許多現(xiàn)代發(fā)明，如核磁共振機(jī)和粒子加速器，并可能在聚變反應(yīng)堆或無(wú)損電網(wǎng)中找到未來(lái)的應(yīng)用。

落選的物理學(xué)家及其成就

?？颂?Artur K. Ekert)

人物介紹：現(xiàn)年58歲的?？颂厥怯?guó)牛津大學(xué)數(shù)學(xué)研究所量子物理學(xué)教授，也是新加坡國(guó)立大學(xué)“李光前百年校慶教授基金”得主。

成就：對(duì)量子計(jì)算和量子密碼學(xué)的貢獻(xiàn)。他是基于糾纏態(tài)的量子密碼學(xué)的發(fā)明者。

海因茨(Tony F. Heinz)

人物介紹：斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理與光子科學(xué)教授，他也是SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的副主任。

成就：對(duì)二維納米材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，更位理解碳納米管、石墨烯和二維半導(dǎo)體材料（如二硫化鉬）等納米材料做出了貢獻(xiàn)。

普度(John P. Perdew)

人物介紹：美國(guó)賓夕法尼亞州費(fèi)城天普大學(xué)教授，2011年獲選美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。

成就：為電子結(jié)構(gòu)密度泛函理論的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

十倉(cāng)好紀(jì)——電子型高溫超導(dǎo)體和多鐵性材料

圖4：十倉(cāng)好紀(jì)教授。

人物介紹：日本著名的物理學(xué)家，東京大學(xué)工學(xué)系物理工學(xué)專業(yè)教授，同時(shí)兼任理化學(xué)研究所創(chuàng)造性物質(zhì)研發(fā)中心的主任。

成就：代表性較高的是電子型高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)、氧化物巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和機(jī)理解明、以及關(guān)于多鐵性材料的基礎(chǔ)理論等，其中任何一項(xiàng)成就都有獲頒諾獎(jiǎng)的可能。

細(xì)野秀雄——鐵基高溫超導(dǎo)

圖5：細(xì)野秀雄教授。

人物介紹：東京工業(yè)大學(xué)前沿材料研究所教授

成就：他的研究領(lǐng)域包括無(wú)機(jī)材料、納米多孔機(jī)能材料、超導(dǎo)材料、光電子材料以及透明氧化物半導(dǎo)體等。他最大的成就是鐵基高溫超導(dǎo)的提出，同時(shí)他還是液晶面板的主流技術(shù)路線之一的IGZO（氧化銦鎵鋅，indium gallium zinc oxide）的奠基人之一。

飯島澄男——諾獎(jiǎng)遺珠碳納米管

圖6：飯島澄男教授。

人物介紹：碳納米管的發(fā)現(xiàn)者，名城大學(xué)終身教授、NEC特別主席研究員。

成就：1990年，飯島教授通過(guò)透射電鏡直觀地觀察到了足球烯的形態(tài)。1991年，他希望觀察到碳元素在反應(yīng)過(guò)程中是如何相互卷曲，形成球狀結(jié)構(gòu)的。于是，他重復(fù)了足球烯制備的實(shí)驗(yàn)，并調(diào)整了某些參數(shù)，試圖尋找到有趣的結(jié)果。然而，令他意外的是，制備足球烯的嘗試沒(méi)成功，反而制備出了一系列納米級(jí)別的管狀構(gòu)造，這就是后來(lái)被稱為碳納米管的一種全新材料。

圖7: 幾種不同構(gòu)型的納米碳管，作者：Mstroeck

大野英男——磁性半導(dǎo)體之父

圖8：大野英男教授和電子自旋示意圖。

人物介紹：現(xiàn)任日本東北大學(xué)校長(zhǎng)，被譽(yù)為磁性半導(dǎo)體之父。

成就：大野教授在銦-砷或鎵-砷這樣的半導(dǎo)體化合物中混入一定量具有磁性的錳，最終制成了同時(shí)兼具磁性和半導(dǎo)體特性的磁性半導(dǎo)體。

磁性半導(dǎo)體是一種特殊的半導(dǎo)體，既有強(qiáng)磁性又有半導(dǎo)體特性。磁性半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋狀態(tài)的控制，是新型電子元器件研究的熱門領(lǐng)域。

“自旋”是相當(dāng)復(fù)雜深?yuàn)W的物理概念，但是我們不妨將其簡(jiǎn)單化的理解為是電子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。總的來(lái)說(shuō)，自旋分為兩種狀態(tài)，即下圖所示的自旋向上和自旋向下，分別描述從左向右和從右向左兩種旋轉(zhuǎn)方式。自旋是描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)，同時(shí)，它也與磁性的產(chǎn)生有關(guān)。如果材料中的大量電子同時(shí)呈現(xiàn)同一種自旋狀態(tài)，材料就會(huì)顯現(xiàn)出磁性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體主要利用電子的電荷特性，而磁鐵則是利用電子的自旋特性。

這種材料的制備探索起初非常艱難，在克服了一系列難關(guān)后才最終實(shí)現(xiàn)。磁性半導(dǎo)體在操控電流的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋的控制，給電子器件的制造帶來(lái)了全新可能，未來(lái)誕生基于磁性半導(dǎo)體的器件甚至是電腦絕非妄言。

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